承“问天”之名 怀“问天”之志——解析中国空间站问天实验舱

文/刘淮宇 刘岩

它是中国空间站建造过程中发射的首个实验舱；它是当今世界最大单体载人航天器，全长达17.9 米，最大直径4.2 米，发射重量约23 吨；它承载着“问天”之名、胸怀“问天”之志，开启了中国人探索浩瀚宇宙的崭新篇章。它就是2022 年7 月24 日由长征五号B 运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射的中国空间站问天实验舱。

值得一提的是，中国空间站工程使用的空间站各舱段、载人飞船、货运飞船、中继卫星及发射这些航天器所使用的长征系列运载火箭均由中国航天科技集团有限公司研制。下面就由研制人员对问天实验舱进行深度解析。

▲ 问天实验舱与天和核心舱交会对接示意图

能生活、能实验，如何做到两不误？

问天实验舱，又被称为实验舱Ⅰ，相应地，今年晚些时候发射的梦天实验舱被称为实验舱Ⅱ。

“空间站全面建造完成后，这两个实验舱将是航天员在轨工作和生活的主要场所。在两个实验舱里，都可以开展密封舱内和密封舱外的空间科学实验和技术试验。”来自航天科技集团五院的中国工程院院士、中国载人航天工程空间站系统总设计师杨宏介绍，“问天”“梦天”两个实验舱都配置了舱内载荷试验机柜和舱外载荷安装平台，也提供了信息、供电和散热等支持和保障措施，支持开展空间科学、空间材料、空间医学以及空间探测等多个领域的试验。

具体到此次发射的问天实验舱而言，它配置了天和核心舱具备的航天员生活设施，包括3 个独立睡眠区、1个卫生区和厨房等设施，可保障3 名航天员的基本生活。这使得它可以与核心舱合作共同支持两艘载人飞船轮换期间6 名航天员的生活。

▲ 航天员进入问天实验舱，可见图右侧的变重力科学实验柜

五院总体部总体室主任王为介绍，问天实验舱内的航天员睡眠区比核心舱的更为宽敞，舷窗也进行了改进设计，宜居性进一步提高。“待问天实验舱各项载人环境设置完毕后，神舟十四号航天员乘组会从‘天和’搬到‘问天’，抢先在新床铺体验一番。”王为说。

“相比核心舱来说，实验舱支持开展实验的能力更强，也更加凸显了‘建站为应用’的宗旨。”问天实验舱总体副主任设计师李喆介绍，问天实验舱内可以提供8 个实验机柜的装载空间，相比核心舱的4 个，在数量上显著增加。此外，问天实验舱还能给舱外的暴露载荷提供22 个安装工位，支持开展空间天文与天体物理、空间物理与空间环境以及有迎风面需求的暴露实验等相关研究。

▲ 问天实验舱机械臂地面测试

▲ 问天实验舱主体部分

▲ 今年中国空间站将建成3 舱组合体

▲问天实验舱二次展开太阳翼

据李喆介绍，问天实验舱上配置了一个小型灵巧机械臂，既可以单独使用，也可以跟核心舱的大机械臂组合使用，共同完成航天员的出舱、舱外设施照料、巡检等任务。“小型机械臂的作业半径是5 米，不及核心舱上大机械臂的10 米作业半径，但是操作精度更高，可以开展一些更为精细的工作。”李喆说。

总而言之，通过设计师们科学合理的设计，问天实验舱打造出了宜居宜业、功能强大的良好环境，它与核心舱的强强联合及后续梦天实验舱的加盟，将助推国家太空实验室得以建成。

从整体结构到追踪飞行，空间站设计师的匠心几何？

“外行看热闹，内行看门道。”长期从事载人航天工程航天器设计研究的王为表示，问天实验舱和天和核心舱在功能上有重合之处，在结构上却有着显著差别——

由于核心舱起到核心枢纽作用，设计人员将其设计为贯通的结构，达到四通八达的状态，更有利于充分利用各个方向的端口，实现空间站组合体在其基础上的快速高效建造。

问天实验舱作为一个专用的实验舱，没有采用贯通式的结构设计思路。它的工作舱是我国最大的密封舱，比“天和”和“梦天”的密封舱都要大。紧挨着工作舱的是人员专用气闸舱，最外侧则是资源舱。

未来，问天实验舱、梦天实验舱与天和核心舱三舱形成大T字构型后，两个实验舱对向布局将形成近40 米横向跨度，可以起到类似国际空间站桁架结构的作用，有效化解太阳翼相互遮挡的难题。两个实验舱的短桁架末端还可以用于核心舱太阳翼的转位安装，从而最大限度提高太阳电池翼整体受晒率，进而提高空间站整站三舱的发供电能力。

从单个航天器来看，问天实验舱的供电能力不小于14 千瓦，给载荷的供电能力约5 千瓦，远超之前的天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室。强大的供电能力自然能更好地支撑空间站上的各项科研工作和航天员生活。

相比此前我国研制发射的载人航天器，问天实验舱还有一个过人之处——它是全世界现役在轨最重的单舱主动飞行器。主动飞行器又叫追踪飞行器，其最突出特点就是具备自主交会对接和实施转位的功能。

王为透露，如此大规模的航天器主动去进行交会对接，给控制方面带来很大挑战，科研人员有针对性地进行了大量分析工作尽最大可能降低风险隐患。

问天实验舱发射入轨后，其配置的我国最大且具有二次展开功能的双自由度柔性太阳翼不会一次完全展开。在交会对接的时候，太阳翼只展开一小部分，全部对接完成后，再全部展开。这样设计使得问天实验舱的太阳翼在交会对接时长度保持在较短状态，对整个航天器控制的扰动就比较小，更为安全可靠。

▲ 早年刘洋在天宫一号目标飞行器内休息，如今问天实验舱的居住条件大为改善

能力强担重任，空间站组合体何以承载生命之重？

载人航天器在深邃太空中运行，如一颗星星高悬在太空之中，天上之人的安全始终牵动着无数身处地面的航天科研人员的心。

中国载人航天工程空间站系统总指挥王翔曾撰文指出，保证人在太空的安全是载人航天第一要务。为了保证载人航天器的安全稳定运行，地面上的航天工程师需要通过航天器及其运行系统的设计确保人的安全，在基本的生存环境之上建立人能够处于舒适状态的生活条件，最后才能设计和建造高效的工作场所与保障条件。这一切既是对载人航天任务需求的响应，也体现了中国空间站设计的后发优势。

正如人们常说的“不能把鸡蛋放在一个篮子里”，空间站的多舱段布局使得各个舱段相对独立，可以分布式地承担安全保障功能，并且在局部出现问题时能够通过物理隔离保证全局安全。

就中国空间站而言，日常情况下，以天和核心舱作为平台控制管理中心，对整站进行统一控制。一旦核心舱出现故障，可能对人员安全构成威胁，问天实验舱就可以整体接管全站控制工作。这得益于问天实验舱备份了完整的能源管理、信息系统、控制系统和载人环境等关键功能。后续即将发射入轨的梦天实验舱也具备关键功能的设备级备份，进一步提高整体系统安全性。

▲ 航天员从问天实验舱专用气闸舱出入示意图

针对航天员出舱活动安全性，在问天实验舱的资源舱和工作舱之间，配置了航天员出舱主份气闸舱，它也是我国最大的人员专用出舱舱段。问天实验舱结构机构分系统主任设计师常洁介绍，问天实验舱的气闸舱配置有两个圆形舱门，直径均为1 米，比天和核心舱节点舱的出舱舱门大30%左右，还贴心地配置了出舱助力装置和可在轨应急组装的舱门，让航天员出舱活动更便捷、更安全。

据介绍，空间站建成以后，这个气闸舱将成为航天员进行出舱活动的主要场所，而此前核心舱的节点舱则主要用于其他功能，同时作为特殊情况下的备份气闸舱。在出舱过程中，如果主份气闸舱出现问题，航天员能通过节点舱回到空间站，保证出舱活动的安全可靠。

2022 年，中国人自主设计建造的空间站将全面建成，我们期待着中国“天宫”在浩瀚太空中不断带给我们更多惊喜和新知。

▲ 航天员经由节点舱进入问天实验舱